ОПЫТ СОВМЕСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ И НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Савинцева Ю.И.¹, Сенаторова Е.В.², Смирнов А.И.³, Шабалин М.В.⁴,  Хазиев Р.А.⁵

^1,2,3,4,5 Ведущий специалист ЗАО НДЦ «Русская лаборатория», Санкт-Петербург

ОПЫТ СОВМЕСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ И НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Аннотация

В статье рассматривается использование результатов неразрушающего контроля баллона высокого давления для построения конечно-элементной модели. Сформулированы требования к расчетной модели для получения физичных результатов. Проведена апробация разработанной модели в рамках натурных измерений.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, механика разрушения, напряженно-деформированное состояние.

Savinceva Ju.I.¹, Senatorova E.V.², Smirnov A.I.³, Shabalin M.V.⁴, Haziev R.A.⁵

^1,2,3,4,5 Lead specialist of Ltd Russian Laboratory, Saint-Petersburg

EXPERIENCE IN JOINT APPLICATION OF THE FRACTURE MECHANICS AND NONDESTRUCTIVE TESTING

Abstract

In the present paper there was considered usage of the nondestructive testing results of the high pressure vessel for creation of the finite element model. The main requirements for the adequate physical model were formulated. There were provided testing and calibration of the model in full-scale conditions.

Keywords: nondestructive testing, fracture mechanics, strain-stress state.

Внедрение механики разрушения в практику обоснования работоспособности и долговечности конструкций сдерживается трудностями, возникающими при интеграции данных неразрушающего контроля технологических и эксплуатационных повреждений (несплошностей). Современные информационные технологии позволяют смоделировать и рассчитать практически любые повреждения технических устройств в независимости от их сложности. Основная проблема заключается в том, что расчетчики требуют от специалистов, занимающихся методами неразрушающего контроля, такого набора исходных данных, которого последние просто не в состоянии обеспечить. В результате, решение о допуске в эксплуатацию или ремонте технических устройств принимаются не на основании расчетов на прочность, а из опыта эксплуатации или в соответствии с технологической документацией. Это приводит к неоправданному завышению объема ремонтных работ и часто не повышает прочность конструкции, а, наоборот, снижает её.

Выходом из сложившейся ситуации видится применение консервативных расчетных схем по результатам неразрушающего контроля при минимуме исходных данных. Под консервативностью следует понимать гарантированное незавышение расчетных величин предельной нагрузки, критических размеров несплошностей, числа циклов нагружения до разрушения по отношению к истинным.

Одна из таких консервативных расчетных схем была применена в 2009 году сотрудниками ЗАО НДЦ «Русская лаборатория» при проведении экспертизы промышленной безопасности баллонов высокого давления (расчетное давление – 20 МПа) гидравлических систем прокатного стана. Баллоны объемом 9300 л внутренним диаметром 1290 мм с толщиной стенки 100 мм были изготовлены из листовой стали марки 16ГС и предназначались для поддержания постоянного уровня масла в гидравлической системе.

Проведённая ультразвуковая толщинометрия одного из баллонов выявила в нижней части корпуса значительные отличия фактических значений толщины стенки от её паспортных значений. По результатам толщинометрии было принято решение об увеличении объема контроля – проведение дополнительного контроля основного металла по 1-ому классу сплошности в соответствии с [1 – 3]. Для этого на основании полученных ранее результатов была локализована и подготовлена для контроля зона основного металла размером 1,5 х 1,5 м.

В процессе проведения дополнительного контроля подготовленной зоны были обнаружены скопления несплошностей условной площадью менее      10 см² каждая, расположенные в нескольких плоскостях по толщине листа на глубинах 26..37 мм и 54..70 мм по всей контролируемой зоне. Расстояния между их условными границами были менее 15 мм. В соответствии с [1] выявленные несплошности были объединены в одну зону несплошностей, условная площадь которой составила 2,25 м² и превысила допустимую норму 1-го класса сплошности – 2,0 м².

В связи с полученными результатами было решено провести уточненный расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) корпуса баллона для уточнения информации о несущей способности баллона и остаточном ресурсе. В процессе расчета все виды несплошностей (поры, включения, расслоения и т.д.) рассматривались в качестве эллиптических подповерхностных трещин с полуосями a и c в соответствии с рекомендациями, изложенными в [4, 5] (рис.1). Минимальный набор исходных данных для схематизации несплошностей включал две величины – площадь несплошности F и глубину расположения несплошности h.

Рис.1. Схематизация одиночной несплошности

Площадь несплошности была выбрана в качестве основного исходного параметра в виду того, что если измеренная методами неразрушающего контроля площадь дефекта в 2 раза превышает истинную, то эта погрешность приводит к занижению расчетной предельной нагрузки приблизительно в 1,2 раза. При той же погрешности измерения линейного размера расчетная предельная нагрузка окажется заниженной в 1,4 раза ([4]). Трещины в расчетной модели располагались таким образом, чтобы они максимально ослабляли сечение корпуса баллона. Для этого малая полуось эллипса a располагалась по нормали к ближайшей свободной поверхности так, чтобы вершина A малой полуоси и ближайшая к свободной поверхности точка контура дефекта совпадали (рис.1). Полуось c располагалась в плоскости, нормальной к направлению действия максимальных растягивающих напряжений. Взаимодействие несплошностей учитывалось на стадии составления расчетной модели. Для каждой несплошности определялись a_i и c_i, которые нумеровались в порядке убывания a_i. Если любые две несплошности отвечали условию (1), то они объединялись в одну по формуле (2), после чего рассматривалась система m-1 несплошностей и т.д.

где: f_ij – минимальное расстояние между двумя несплошностями; a_i – малая полуось большей несплошности.

В результате использования описанного подхода к аппроксимации и объединению групповых несплошностей была построена конечно-элементная модель корпуса баллона, учитывающая обнаруженные в процессе проведения контроля скопления несплошностей и их взаимодействие. Проведенные в рамках линейной механики разрушения расчеты НДС этой модели показали, что коэффициент интенсивности напряжений нормального отрыва K в вершине малой полуоси a нескольких трещин превышает допустимую величину ([6]):

где К_1кр – критический коэффициент интенсивности напряжений; n_к – коэффициент запаса прочности по трещиностойкости. Для рабочих условий n_к = 2; для условий испытаний – 1,5. Проведенные в соответствии с программой работ пневматические испытания баллона в сопровождении акустико-эмиссионного контроля подтвердили результаты уточненного расчета НДС, выявив наличие развивающихся дефектов в локализованной зоне. В результате, было принято решение о выводе из эксплуатации обследованного баллона.

Подводя итоги, необходимо отметить, что одним из немаловажных факторов при составлении уточненной расчетной модели выступает именно консервативность. На этом этапе расчетчик должен вручную внедрять в расчетную модель алгоритмы, которые, с одной стороны, обеспечивают физичность воспроизводимых явлений, т.е. их корреляцию с результатами неразрушающего контроля, и, с другой стороны, консервативность, объективность модели. В этой связи рассмотренный подход является весьма трудоемким и пока не подлежащим автоматизации.

Литература

1. ГОСТ 22727-88 «Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля».
2. ГОСТ Р 50599-93 «Сосуды и аппараты стальные сварные высокого давления. Контроль неразрушающий при изготовлении и эксплуатации».
3. ГОСТ Р 52630-2012 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия».
4. Овчинников А.В., Попов А.А., Васильченко Г.С. Основные принципы составления расчетных схем элементов конструкций с несплошностями по данным неразрушающего контроля // Проблемы прочности. 1988. №9. С. 75 – 79.
5. РД ЭО 0330-01 «Руководство по расчету на прочность оборудования и трубопроводов реакторных установок РБМК, ВВЭР и ЭГП на стадии эксплуатации».
6. РД 03-421-01 «Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов».

References

1. GOST 22727-88 «Prokat listovoj. Metody ul'trazvukovogo kontrolja».
2. GOST R 50599-93 «Sosudy i apparaty stal'nye svarnye vysokogo davlenija. Kontrol' nerazrushajushhij pri izgotovlenii i jekspluatacii».
3. GOST R 52630-2012 «Sosudy i apparaty stal'nye svarnye. Obshhie tehnicheskie uslovija».
4. Ovchinnikov A.V., Popov A.A., Vasil'chenko G.S. Osnovnye principy sostavlenija raschetnyh shem jelementov konstrukcij s nesploshnostjami po dannym nerazrushajushhego kontrolja // Problemy prochnosti. 1988. №9. S. 75 – 79.
5. RD JeO 0330-01 «Rukovodstvo po raschetu na prochnost' oborudovanija i truboprovodov reaktornyh ustanovok RBMK, VVJeR i JeGP na stadii jekspluatacii».
6. RD 03-421-01 «Metodicheskie ukazanija po provedeniju diagnostirovanija tehnicheskogo sostojanija i opredeleniju ostatochnogo sroka sluzhby sosudov i apparatov».